CONVERSIÓN DE ENERGÍA SOLAR: CONCEPTO DE EFICIENCIA

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1 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO A5_188 CONVERSÓN DE ENERGÍA SOLAR: CONCEPTO DE EFCENCA J. C. Torchia Núñez J. G. Cervantes de Gortari Departamento de Termoenergía, Universidad Nacional Atónoma de México México, DF, ABSTRACT The present paper explores the many different definitions of efficiency in the field of solar energy. With a thermodynamic approach, some solar energy conversion devices and processes are analyzed clarifying the varios and often misleading meanings of the efficiency indicator. The Second Law of Thermodynamics provides the qantification of qality of energy processes, that is, a better tool for the assessment of performance of devices and processes. n this paper we present both energy and exergy efficiencies for each particlar solar-driven technology in order to promote second law analyses and indicators in solar applications. A final discssion on how the resorce of any solar driven device shold be considered is presented. 1. NTRODUCCÓN Desde los tiempos en los qe el hombre comenzó a tilizar herramientas el concepto de eficiencia emergió intitivamente como n indicador para expresar qé tan bien se realizaba n trabajo. Al principio, si na piedra afilada lograba na tarea de corte en menor tiempo qe na pieza de madera, se convertía en la herramienta favorita hasta qe otra probaba ser mejor. La eficiencia en este sentido tenía solamente dos valores posibles: apropiado o inapropiado. La misma línea de razonamiento pede aplicarse a los comienzos de la agricltra. Cando las diferentes tribs nómadas aprendieron a prodcir cosechas, debieron haberse pregntado cántas semillas por nidad de área resltarían en más cosechas. Cando la civilización se estableció, se reqirieron de actividades más complejas con el fin de satisfacer necesidades menos básicas. Una vez qe el hombre logró dominar el fego, la noción de na economía del combstible debe haber sido imposible de evitar. El concepto de eficiencia no tendría sentido si los recrsos disponibles para alimentar algún proceso feran infinitos. Un indicador de eficiencia existe debido a la necesidad de hmanos de evalar el fncionamiento de dispositivos y procesos. Es el resltado de la búsqeda del mejoramiento desde n pnto de vista económico (recrsos limitados) para la obtención de comodidades derivadas de na enorme variedad de actividades. Los bienes representan tilidad material qe los hmanos han gardado, valado e intercambiado a lo largo de la historia. Así, no es sorprendente encontrar qe las salidas y entradas de n sistema, cyas relaciones establecen las distintas eficiencias, tengan valores económicos para cantificar s tilidad. Los indicadores de eficiencia peden encontrarse en calqier rama de las ciencias natrales y sociales y peden aplicarse a distintos tipos de fenómenos inclso en el mismo campo de estdio. Dentro de las ciencias térmicas, la eficiencia energética es la relación más tilizada para describir qé tan bien se realiza n proceso y qe tan beno es el dispositivo qe lo ejecta. Es notable qe no exista n claro acerdo o reglas sobre las definiciones de eficiencia entre atores. Lior y Zhang [1] presentó n estdio completo sobre criterios de fncionamiento, sando tanto la primera como segnda ley de la Termodinámica. Kotas [2] propso varias expresiones de eficiencias energéticas para evalar procesos térmicos y qímicos. Gyftopolos y Beretta [3] definió la eficiencia termodinámica como na medida del grado en el cal los procesos involcrados en llevar a cabo algna tarea y en convertir na fente de energía son reversibles. 2. EFCENCAS DE ENERGÍA Y EXERGÍA La eficiencia energética se debe a las interacciones de energía, calor y trabajo o propiedades como entalpía, energía cinética, etc. Una consecencia de la primera ley de la Termodinámica es la conservación de la energía. Si la energía se conserva a lo largo de n proceso, las pérdidas energéticas solo se deben a corrientes de energía qe salen del sistema. En este sentido, n sistema perfecto es aqél qe no posee pérdidas de energía. En n sentido SBN P á g i n a 1050 Derechos Reservados 2009, SOMM

2 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO más amplio, la eficiencia energética pede definirse como: = i j E E, i r, j donde E,i es la i-ésima corriente de energía útil o propiedad en el proceso y E r,j es la j-ésima fente de energía en forma de corriente o propiedad. El sbídince indica qe esta eficiencia está basada en la primera ley de la Termodinámica. isten dos complicaciones con esta definición de eficiencia: los valores qe pede adqirir y s interpretación. La vasta mayoría de los valores de eficiencia energética son menores a la nidad, lo cal implica qe no toda la energía proveniente de los recrsos peden ser transformados en energía con efecto útil. Sin embargo, las eficiencias de energía peden ser mayores qe la nidad, como por ejemplo, el coeficiente de fncionamiento (COP) qe es el indicador de eficiencia en el campo de la refrigeración. Aún más, n dispositivo energéticamente eficiente al 100%, el cal pede ser fácilmente concebido, implica qe no existe na mejor manera de realizar ese proceso en particlar. Este resltado es correcto pero engañoso [3]. Tome por ejemplo, na válvla adiabática localizada en na línea de vapor de alta presión. Un balance de energía aplicado en la válvla en régimen permanente mestra qe la entalpía, en el proceso es constante. La eficiencia energética es 100%, i.e. la válvla no afecta el contenido energético del vapor en s mta interacción. De acerdo con esto, no existe mejor dispositivo qe termodinámicamente redzca la presión del vapor qe la válvla. Sin embargo, na válvla redce la capacidad qe posee el vapor de prodcir trabajo. Desde n pnto de vista termodinámico y económico, el trabajo útil debería ser conservado lo más posible. Mientras qe las válvlas son dispositivos prácticos y sin partes móviles importantes qe reglan la presión y fljo en tberías, no redcen la presión (conversión de energía) aprovechando la capacidad de prodcir trabajo útil qe posee el vapor, como sí lo hace na trbina. De esta manera, no pede considerarse como el mejor dispositivo para este proceso termodinámicamente hablando. La exergía es na propiedad de n sistema con respecto a ss alrededores. Pede definirse como el máximo trabajo qe pede prodcir n sistema cando realiza n proceso desde calqier estado hasta el estado del medio ambiente. La eficiencia energética relaciona las corrientes (1) útiles de exergía con la exergía contenida en los recrsos sministrados en forma de interacciones o propiedades. La eficiencia exergética pede ser expresada como: = i j, i r, j (2) Donde,i es la i-ésima corriente de exergía útil o propiedad y r,j es la j-ésima fente de energía en forma de corriente o propiedad. De la ecación (2), otras eficiencias energéticas peden definirse dependiendo de los términos aplicables para análisis específicos. Tomando el ejemplo de la válvla en na línea de vapor, n balance de exergía mestra qe existe na fracción de energía disponible, útil y no dispersa, qe se pierde en el proceso. Esta cantidad de exergía perdida es proporcional a la generación de entropía en el proceso, de acerdo al teorema de Goy-Stodola [4]. Finalmente, introdcimos la eficiencia de Carnot como: TC c = 1 (3) T H donde T H y T C son las temperatras de los reservorios de alta y baja temperatra, respectivamente. Esta es la máxima eficiencia energética qe na máqina de calor pede alcanzar cando logra n ciclo termodinámico entre dos reservorios a distintas temperatras. Esta eficiencia está basada en n proceso reversible, (sin generación de entropía); de manera qe establece n trabajo máximo teórico. En el presente trabajo, revisaremos diferentes tecnologías solares y celdas de combstible mediante ss eficiencias, para enfatizar ss ventajas sobre los combstibles fósiles. 3. COLECTORES SOLARES Los colectores solares o, específicamente calentadores de aga, son los eqipos solares térmicos más probados y tilizados debido a s relativa simplicidad en el diseño y operación. Los colectores solares se san principalmente para calentamiento de aga o espacios habitacionales, en edificios domésticos, institcionales y residenciales con aplicaciones qe van desde calentamiento distrital hasta procesos de desalinización. Los colectores solares son dispositivos qe reciben irradiancia global (directa y difsa) solar y, generalmente alcanzan temperatras bajas (< 100 C). SBN P á g i n a 1051 Derechos Reservados 2009, SOMM

3 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO De acerdo al Consejo Mndial de Energía (World Energy Concil) [5], más de 100 millones de m² de colectores solares estaban en operación al final del China es líder con n mercado estimado a los 5.5 millones de m² de colectores al año. En 2005, los envíos estadnidenses pasaron los 16 millones de pies cadrados, n 13.7 por ciento de incremento anal, las exportaciones rebasaron 67%, mientras qe las importaciones se incrementaron n 22.1% [6]. Estos números mestran na tendencia hacia n incremento en la obtención de aga caliente mediante colectores solares a nivel mndial. Los colectores solares han sido estdiados tilizando la segnda ley de la Termodinámica por n número considerable de atores [4,7,8,9]. En general, las irreversibilidades dentro de colector y la eficiencia son las variables qe se optimizan de acerdo a n conjnto de parámetros, tales como la irradiancia solar, fljo másico de aga y temperatra del colector. La eficiencia energética y exergética para n colector isotérmico pede expresarse, respectivamente como: = (4) S ( 1 T T ) o w = 4 T 1 ( 1 3 o T ) ( 4 3 o S + T ) S T S En las ecs. (4) y (5), y S son la transferencia de calor útil entre el colector y el aga, y la irradiancia solar, respectivamente. T o, T S y T w son las temperatras del medio ambiente (estado de referencia), la fente de radiación (sol), y del aga dentro de los tbos del colector. El término en paréntesis cadrado en la ec. (5) es la fracción de exergía qe la energía radiante contiene [10] y pede tomarse como la eficiencia de Carnot respecto de las fentes de radiación como reservorios de calor. isten varias expresiones para esta cantidad máxima teórica de energía radiante qe pede convertirse en trabajo [4,7,11]. Ahora proponemos na neva expresión para la eficiencia energética y exergética: = (6) col (5) 1 T T 1 T T = = 1 T T 1 T T o w o w col o col o col donde col y T col son la transferencia de calor desde el collector y s temperatra, respectivamente; T w es la temperatra del aga qe flye en el colector. Como pede verse, solamente especificamos la entrada de calor (recrso) como la transferencia de calor desde n reservorio, qe es ahora el colector y no el sol. En la literatra del ámbito solar, el sol es casi invariablemente el recrso cando se expresan eficiencias. Podemos argüir qe, para na comparación jsta entre combstibles fósiles y energía solar, las eficiencias deben tomarse como las ecaciones (6) y (7). Disctiremos este pnto más adelante. Ahora para n modelo no isotérmico del colector, podemos reescribir las ecaciones (6) y (7) como: mc T T w col w = = & col ( Mc dt (8) dt ) col T 1 o T w = = T col 1 o T col Donde m&es la masa de aga por nidad de tiempo flyendo a través del colector, c w y c col es la capacidad calorífica específica de aga y del material colector, y dt/dt es la variación de temperatras con el tiempo. La ecación (9) spone qe la temperatra ambiente no cambia con el tiempo. Las entradas en las ecaciones (8) y (9) son la inercia de energía y exergía térmica del colector, respectivamente. Note qe el colector no es n reservorio de calor, ya qe las interacciones de calor con el aga, el sol o el ambiente prodcen cambios en s estado. Las eficiencias de energía y exergía peden ser expresadas arbitrariamente de manera qe no hay restricción sobre la natraleza de los sistemas en interacción. En estricto sentido, no pede decirse lo mismo para la eficiencia de Carnot. (9) 4. CELDAS FOTOVOLTACAS Las celdas fotovoltaicas (FV) son dispositivos qe prodcen na corriente de eléctrica cando reciben lz o radiación similar mediante el desprendimiento directo de portadores de carga [Green, ]. Estos dispositivos son na de las tecnologías más importantes de mayor crecimiento a nivel mndial. Anqe las celdas se tilizan (7) SBN P á g i n a 1052 Derechos Reservados 2009, SOMM

4 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO comúnmente para peqeñas aplicaciones (domésticas y rrales), s so se está incrementando hacia aplicaciones indstriales específicas qe pedan alcanzar capacidades de megawatts. El costo de estos eqipos es na de las grandes desventajas de esta tecnología debido a los bajos niveles de eficiencia. Anqe en años recientes, ha existido n notable amento en la prodcción y venta de celdas FV, solo en Japón, EU y Alemania se ha expandido el mercado [5]. Los fndamentos del proceso fotovoltaico están descritos por la teoría cántica y consiste, básicamente, en el fljo de electrones y hoyos en n material semicondctor prodcido por la absorción de fotones desde na fente de radiación. Varios atores han descrito los límites termodinámicos de las celdas fotovoltaicas. Markvart y Landsberg [13] analizaron tres fenómenos foto-reactivos con el mismo análisis teórico y emplearon termodinámica irreversible con el fin de obtener límites termodinámicos para este proceso de conversión. Charalambos et al. [14] estdiaron celdas FV acopladas a colectores solares jnto con los parámetros qe intervenían en los procesos qe prodcen, calentamiento y electricidad. Sahin et al. [15], desde na perspectiva de la ingeniería térmica, encentra eficiencias de energía y exergía de celdas FV cando varían con el tiempo. En el presente artíclo expresamos las eficiencias de energía y exergía de celdas FV, de acerdo a: V m m = (10) St = 4 T To o ( ) ( ) T S T S (11) Donde m and V m es la corriente eléctrica y el voltaje para na máxima generación de potencia. El prodcto es la potencia obtenida por la celda, y t es el periodo de tiempo. Note qe la potencia eléctrica ( m V m ) como calqier tipo de trabajo es na corriente qe no genera entropía. Es pra exergía. Ahora, se proponen las sigientes eficiencias: E P = E = FV mv (12) m P = = FV mv (13) m donde P es la potencia útil, V e son el voltaje y la corriente provista por la celda FV. En este caso, las eficiencias de energía y exergía son idénticas debido al hecho, como se notó anteriormente, qe la electricidad es n flido cya exergía es igal a la cantidad de energía. La potencia útil, P, se considera como el efecto útil en términos de trabajo prodcido por el dispositivo alimentado por la celda FV, i.e. focos incandescentes, motores eléctricos, etc. Podría parecer n análisis my simple para la expresión de eficiencias de las celdas FV. De hecho, la incidencia de fotones y la creación de potenciales qímicos dentro del material semicondctor no han sido consideradas en las ecaciones (12) y (13). La razón es qe para comparar apropiadamente la tecnología solar con tecnologías de combstible fósil y nclear, la entrada para las eficiencias de celdas FV debería ser el recrso qe el dispositivo ofrece, en este caso, electricidad. Así, las pérdidas de energía y exergía deberían ser consideradas como aqéllas prodcidas en la interacción entre las celdas FV y el dispositivo encargado de emplear ese recrso. 5. TECNOLOGÍA OTEC La conversión de energía térmica del océano (OTEC, por ss siglas en inglés) consiste en la prodcción de trabajo cando se sa la transferencia de calor prodcida por el gradiente térmico entre el aga de baja temperatra en las profndidades del mar y el aga a mayor temperatra de la sperficie tilizando n ciclo ranking. La diferencia de temperatras entre el fondo y la sperficie oscila entre 15 a 28 C entre 600 y 1000 metros de profndidad. kegami y Uehara [16] propsieron n método de optimización termodinámica aplicado a plantas OTEC sando información experimental. Yeh et al. [17] presentaron n análisis teórico para encontrar el máximo trabajo de na planta OTEC, investigando la inflencia de parámetros tales como el diámetro de las tberías y fljo másico de aga de mar. Odm [18] estdió la viabilidad económica de na planta OTEC localizada en Taiwán basado en n análisis de emergía. Los resltados mestran qe las plantas OTEC no peden competir con plantas de alta costo no renovables. Kazim [19] propso n análisis técnico de na planta OTEC qe prodce hidrógeno considerando resistencias térmicas en los intercambiadores de calor. Los resltados mestran qe la resistencia térmica inflencia poderosamente el fncionamiento de la planta. Para esta tecnología solar, podemos expresar la eficiencia de energía y exergía, respectivamente, como sige: SBN P á g i n a 1053 Derechos Reservados 2009, SOMM

5 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO W = (14) H W = = T C H 1 TH 1 c (15) donde H es la transferencia de calor desde el reservorio de calor de alta temperatra, W es el trabajo prodcido por la trbina, T H y T C son los reservorios de alta y baja temperatra, respectivamente y c es la eficiencia de Carnot. 6. CONCENTRADORES SOLARES Los concentradores solares son colectores solares térmicos qe concentran la radiación incidente del sol en n recipiente qe contiene n flido. Los concentradores cilíndricos poseen como recipiente n tbo de vidrio Dewar qe corre axialmente a través del foco de los espejos. Los concentradores de plato tienen na cámara de concentración en el foco común del conjnto de platos o helióstatos. Es sabido qe los flidos sjetos a concentración solar peden alcanzar temperatras tan altas como los 3000 C (Horno solar en Odellio, Francia), anqe, comúnmente, en los diseños más tilizados como los concentradores cilíndricos, temperatras de 400 C no son poco frecentes. Las temperatras dependen del diseño del eqipo, propiedades del flido de trabajo y s fljo másico. Mientras el dispositivo colector/receptor del sistema global no esté en eqilibrio térmico con la fente de radiación, existirá generación de entropía. Por lo tanto, sin considerar efectos de dispersión de la radiación, la interacción sol-colector prodcirá entropía. La concentración solar bsca redcir esta brecha de temperatra para extraer más exergía del eqipo. La concentración solar ha sido estdiada teóricamente por varios atores debido al mayor interés pesto en estos sistemas para la generación de potencia. Haght [20] desarrolló expresiones para la eficiencia de conversión ideal cando la relación de concentración se incrementaba tanto para dispositivos térmicos como cánticos. Singh et al. [21] analizaron n sistema de potencia mediante concentración solar con espejos parabólicos sando la primera y segnda ley de la Termodinámica. Las eficiencias globales de energía y exergía son de 12%, siendo el colector/receptor el componente donde ocrren las mayores pérdidas. Li y Wang [22] reportaron n estdio experimental de tbos evacados mediante concentración solar para evalar la eficiencia energética entre otros parámetros. Los resltados mostraron qe las eficiencias energéticas dependen fertemente del flido de trabajo y la irradiación solar. Las eficiencias de energía y exergía para concentradores solares peden expresarse, según lo dicho anteriormente, como: (,, ) m f c f Tf ot Tf in = & (16) col ( 1 To Tf ) = = col To Tcol ( 1 ) (17) donde m f, c f, T f,ot y T f,in son, respectivamente, el fljo másico del flido de trabajo, la capacidad calorífica específica del flido, y la temperatra de entrada y salida. Nótese qe eficiencias más realistas deberían de considerar propiedades ópticas del concentrador y el receptor, geometrías, etc. pero por simplicidad no se consideran. Una vez más, las ecaciones (16) y (17) expresan las eficiencias para la interacción entre el colector (recrso) y el receptor, en este caso, el flido. Anqe, la concentración solar 7. RESULTADOS Para los sigientes resltados hemos tilizado na temperatra adimensional, τ, definida como: T r τ = (18) T donde es la temperatra del sistema del recrso y T es la temperatra del sistema qe recibe el recrso. Ambas temperatras están en nidades absoltas. La tilidad de esta variable es qe las tecnologías de combstibles fósiles peden compararse con las tecnologías solares debido al hecho de qe, básicamente, ambas realizan tareas tilizando n recrso, siendo la única diferencia la temperatra de los sistemas. También, las eficiencias energéticas han sido calcladas de acerdo a las ecaciones (7), (9), (15) y (17), es decir, las eficiencias de exergía para aplicaciones solares cando la interacción sol-colector no se toma en centa. La figra 1 mestra la variación de la eficiencia exergética de na planta OTEC cando la eficiencia SBN P á g i n a 1054 Derechos Reservados 2009, SOMM

6 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO energética varía. Valores altos de eficiencia exergética se deben a altas eficiencias energéticas, lo cal está relacionado a na bena condctancia térmica en los intercambiadores de calor de la planta. La eficiencia de Carnot limita la eficiencia energética, hasta 1- τ. Para na planta OTEC, se tienen los valores más bajos de τ, debido a la peqeña diferencia de temperatras entre sistemas temperatra del colector varían. La relación τ alcanza altos valores cando el colector incrementa s temperatra. Note qe mientras la temperatra se incrementa, para n dispositivo con las mismas eficiencias energéticas, la eficiencia de exergía amenta considerablemente. Esta misma tendencia se mestra cando para dispositivos a la misma temperatra, la eficiencia energética es mayor. También, se ha visto qe los incrementos tanto en temperatra y eficiencias energéticas, tiene n mayor impacto en dispositivos con valores de τ menores. ΙΙ τ =0.01 =0.02 =0.03 =0.05 Figra 1. Variación de la eficiencia exergética con la relación de temperatras τ entre el aga caliente y fría del mar. ΙΙ =80 C, =0.3 Ι =80 C, =0.5 Ι =80 C, =0.8 Ι =120 C, =0.3 Ι =120 C, =0.5 Ι =120 C, =0.8 Ι τ Note qe en este caso, la eficiencia exergética está cercana a la nidad mientras la eficiencia de Carnot se mantenga baja. Esto se debe a dos razones. Primeramente, la exergía del recrso no es la exergía extraída de la radiación del sol. Esto significa qe el recrso, aga de mar tibia, está en n estado my cercano al estado del medio ambiente, al contrario de la radiación solar. Segndo, la diferencia de temperatra entre sistemas y reservorios es peqeña. De hecho, na diferencia infinitesimal de temperatra prodce na transferencia de calor reversible (sin generación de entropía). Es apreciable qe, contrario a los otros ejemplos de tecnologías solares, el recrso de estas plantas no es la radiación solar, sino el calor obtenido del aga tibia del mar hacia el flido de trabajo de la planta. La razón para esta consideración, en nestra opinión, es qe es fácil considerar el aga tibia del océano como n reservorio de calor en contraste con na placa plana negra o na celda fotovoltaica, sin embargo, todos estos ejemplos realizan la misma tarea: la recolección de radiación y la alimentación hacia algún proceso. La eficiencia exergética para n colector solar se mestra en la figra 2 cando la eficiencia energética y la Figra 2. Variación de la eficiencia de exergía con la relación de temperatras τ y para n colector solar de rango típico de temperatras. Este resltado indica qe existen mejoras potenciales para dispositivos qe trabajan entre reservorios o sistemas entre diferencias de temperatra menores. Sabiendo qe la eficiencia exergética se incrementa cando las corrientes de energía (en la mayoría de los casos, calor) hacia el exterior del sistema se redcen, se peden proponer mejores diseños de aislamiento o materiales con propiedades ópticas selectivas qe asegrarían n mejor desempeño termodinámico en los eqipos de conversión de energía solar. En el caso de n colector solar na gran diferencia entre las temperatras del colector y el aga reslta en na pérdida de eficiencia de exergía, sin embargo, esta pérdida se redce si esta diferencia de temperatras ocrre a mayores temperatras, i.e. para na mayor calidad de la energía. Nótese en la figra 2 qe, para = 80 C, si se graficaran más pntos cando τ > 1.2, se obtendrían valores negativos de eficiencia energética. Este es n resltado directo de la definición de la exergía, la cal implica qe na corriente de energía de alta calidad debe estar, en general, más lejos del estado del medio SBN P á g i n a 1055 Derechos Reservados 2009, SOMM

7 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO ambiente. Así, independientemente de la diferencia de temperatras entre sistemas τ, se reqieren de mayor valor de potenciales termodinámicos, en este caso temperatra, para n mejor desempeño de n eqipo desde el pnto de vista exergético. ΙΙ τ =200 C, =0.3 =200 C, =0.5 =200 C, =0.8 =450 C, =0.3 =450 C, =0.5 =450 C, =0.8 Figra 3. Variación de la eficiencia energética con la relación de temperatra τ y para concentradores solares en el rango típico de temperatras. Los concentradores solares son dispositivos qe alcanzan temperatras moderadas a altas y son capaces de competir económicamente con otras tecnologías para la generación de potencia. La figra 3 establece la variación de las eficiencias de exergía con la relación de τ. Esta tendencia es similar a la figra 2 e indica los mismos resltados presentados anteriormente. Es interesante el hecho de qe la eficiencia exergética es independiente de la temperatra del dispositivo colector cando τ 1. También, para valores altos de τ la inflencia de la eficiencia energética sobre la eficiencia exergética presenta n decremento considerable. ΙΙ τ =1000 C, = 0.3 =1000 C, = 0.5 =1000 C, = 0.8 =1250 C, = 0.3 =1250 C, = 0.5 =1250 C, = 0.8 =1500 C, = 0.5 =1500 C, = 0.3 =1500 C, = 0.8 Figra 4. Variación de la eficiencia de exergía con la relación de temperatras τ y para rango típico de temperatras de combstión. Se sabe qe las cámaras de combstión de las trbinas de gas peden alcanzar temperatras alrededor de los 1,400 C, la figra 4 mestra de tecnología de combstible fósiles (por ejemplo, trbinas de gas) donde la relación τ corresponde a la interacción entre aire caliente de los combstores y el aga fría de alimentación a na caldera. Las pérdidas de energía y exergía presentes en la combstión y movimiento de flidos se desprecian por simplicidad. Pede verse qe, las eficiencias de exergía de las tecnologías solares, inclso aqéllas cercanas a temperatra ambiente son similares. Termodinámicamente, los combstibles fósiles no poseen ventajas sobre los dispositivos de conversión de energía solar. La eficiencia exergética de las FV, de acerdo a la ec. (13) no se mestra en los resltados debido al hecho de qe dependerá de las propiedades eléctricas (cánticas) y no térmicas directamente, de los materiales y la natraleza de los distintos dispositivos qe peden ser alimentados por na celda fotovoltaica. Para ofrecer na comparación directa y simple entre tecnologías cánticas y térmicas con tecnologías qe tilizan combstibles fósiles se reqieren de más estdios qe abarqen las dos leyes de la termodinámica con análisis simplificados. 8. DSCUSÓN Las tecnologías solares poseen dos grandes problemas para ser económicamente competitivas con tecnologías no renovables: variabilidad y densidad energética. SBN P á g i n a 1056 Derechos Reservados 2009, SOMM

8 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO La variabilidad o flctaciones en la recolección de energía radiante del sol peden solcionarse con diseños de almacenamiento térmico y eléctrico cada vez más desarrollados. Por otra parte, la densidad energética es alta en los combstibles fósiles debido al peqeño volmen en comparación con el contenido energético. Sin concentración, el recrso solar parece tener na baja densidad de energía por nidad de área. Sin embargo, na estimación informal del área reqerida para sministrar la demanda mndial de energía en el 2050 con n 15% de eficiencia energética de los dispositivos solares mestra qe se reqieren 600,000 km² de sperficie. Con estos números, el argmento de densidad energética pierde ferza, al menos para el problema de generación de potencia. Aún más, se ha probado qe algnas de estas tecnologías peden competir con la energía prodcida en plantas ncleares de fisión [23]. Parece ser qe la tecnología solar está en gran desventaja con las fentes de energía no renovables cando se habla de eficiencias, pero esto se debe a n inapropiado entendimiento de lo qe es el recrso disponible. Un análisis termodinámico para na planta qe tiliza combstibles fósiles toma en centa como entrada la energía/exergía proveniente de la combstión en la caldera ya qe el combstible representa n costo importante en el proceso. Desde el inicio de la década de los setentas, el combstible para na central eléctrica, para n vehíclo y otros procesos constitye no de los mayores gastos en la operación global. Así, se espera qe los indicadores de eficiencia consideren al combstible como la entrada, el recrso qe hay qe pagar. Este no es el caso para las tecnologías de conversión de energía solar. La radiación solar no es el recrso para los procesos en lo qe se obtiene algún efecto útil. No cesta nada hacer llegar la radiación solar desde el sol hasta la sperficie terrestre. El recrso debería ser considerado como calqier efecto qe prodce la radiación solar (térmico, eléctrico o qímico) en algún dispositivo qe la aproveche. La irradiancia solar no debería tomarse como la entrada de n proceso qe se lleva a cabo en la Tierra, ya qe ésta goza de gratidad, mientras qe los combstibles fósiles y físiles no. 9. CONCLUSONES Cinco ejemplos de tecnologías de conversión de energía solar, (colectores solares planos, celdas FV, plantas OTEC, concentradores solares parabólicos y de torre central) se revisaron mediante n análisis de ss eficiencias de energía y exergía con respecto a las temperatras qe logran alcanzar. El presente estdio propone qe para propósitos de ingeniería, el cálclo de la eficiencia debe considerar el recrso de los eqipos qe convierten la energía solar como la cantidad de energía o exergía absorbida, recolectada o almacenada en el componente colector del sistema y no la energía/exergía transportada desde el sol. 9. AGRADECMENTO Este trabajo fe parcialmente financiado por la DGAPA- UNAM a través de los proyectos N103106, N y PE REFERENCAS [1] Lior, N. y Zhang, N., Energy, ergy, and Second Law performance criteria, Energy 32, pp , 2007 [2] Kotas, T.J., The ergy Method of Thermal Plant Analysis, Krieger Pblishing Company, Malabar, Florida, 1995 [3] Gyftopolos, E.P. y Beretta, G.P., Thermodynamics: Fondations and Applications, Macmillan Pblishing Company, New York, 1991 [4] Bejan, A., Advanced Engineering Thermodynamics, Second Ed., John Wiley & Sons, nc, New York, 1997 [5] Srvey of Energy Sorces 2002, World Energy Concil [6] Energy nformation Administration, Solar Thermal and Photovoltaic Collector Manfactring Activities 2005, Agst 2006 [7] Torres-Reyes, E., Cervantes-de Gortari, J.G., barra- Salazar, B.A., Picon-Nñez, M., A design method of flatplate solar collectors based on minimm entropy generation, ergy nt. Jornal. 1(1), pp , 2001 [8] Saha, S.K., Mahanta, D.K., Thermodynamic optimization of solar flat-plate collector, Renewable Energy 23, pp , 2001 [9] Mahanta, D.K., Saha, S.K., nternal irreversibility in a water heating solar flat plate collector, Energy Conversion and Management 43, pp , 2002 [10] Petela, R., ergy of ndilted thermal radiation, Solar Energy 74, pp , 2003 [11] Wright, S.E., Rosen, M.A., Scott, D.S., Haddow, J.B., The exergy flx of radiative heat transfer with an arbitrary spectrm. ergy, nt. Jornal 2 (2), pp , 2002 SBN P á g i n a 1057 Derechos Reservados 2009, SOMM

9 MEMORAS DEL XV CONGRESO NTERNACONAL ANUAL DE LA SOMM 23 al 25 DE SEPTEMBRE, 2009 CD. OBREGÓN, SONORA. MÉXCO [12] Green, M.A., Photovoltaic principles, Physica E 14, pp , 2002 [13] Markvart, T., y Landsberg, P.T., Thermodynamics and reciprocity of solar energy conversion, Physica E 14, pp , 2002 [14] Charalambos, P.G., Maidment G.G., Kalogiro, S.A., y Yiakometti, K., Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review, Applied Thermal Engineering 27, pp , 2007 [15] Sahin, A.D., Dincer,. y Rosen, MA., Thermodynamic analysis of solar photovoltaic cell, Solar Energy Materials & Solar Cells 91, pp , 2007 [16] kegami, Y. y Uehara, H., Thermodynamic optimization in ocean thermal energy conversion, in Thermodynamic optimization of Complex Energy Systems ed. by A. Bejan and E. Mamt, NATO Science Series, Klwer Academic Pblishers, London, [17] Yeh, R., S, T. y Yang, M., Maximm otpt of an OTEC power plant, Ocean Engineering 32, pp , 2005 [18] Odm, H.T., Emergy evalation of an OTEC electrical power system, Energy 25, pp , [19] Kazim, A., Hydrogen prodction throgh an ocean thermal energy conversion system operating at an optimm temperatre drop. Applied Thermal Engineering 25, pp , 2005 [20] Haght, A.F., Physics considerations of solar energy conversion, Jornal of Solar Energy Engineering 106, pp. 3-15, 1984 [21] Singh, N., Kashik, S.C., y Misra, R.D., ergetic analysis of a solar thermal power system, Renewable Energy 19, pp , 2000 [22] Li, M., y Wang, L.L., nvestigation of evacated tbe heated by solar trogh concentrating system. Energy Conversion and Management 47, pp , 2006 [23] Scheer, H., A Solar Manifesto, James & James Ltd, London, 1994 SBN P á g i n a 1058 Derechos Reservados 2009, SOMM